平顶山矿区深部大规模松软围岩巷道支护技术

针对平顶山矿区深部大规模松软围岩稳定性控制问题，以典型大规模松软围岩巷道为研究对象，研究确定其围岩的赋存条件，采用离散元方法模拟巷道围岩的变形破坏过程，揭示其破坏机制，提出相应的支护对策，结合深部巷道围岩稳定性控制理论拟定支护的总体思路，确定具体支护方案，研发围岩巷道的抗折抗裂喷层技术及深部巷道底臌治理技术。研究结果表明：围岩承受的高地应力与其自身低强度之间的矛盾是造成深部大规模松软围岩巷道失稳的主要原因；巷道首先在拱顶、底板中央区及两侧边墙受张拉破坏，拱肩及两侧底角受剪破坏，破坏区范围逐渐向深部扩展直至失稳。现场实测数据表明：在方案实施2个月后，锚杆、锚索受力在较高值趋于恒定，充分发挥了支护作用；水平收敛、拱顶下沉和底板臌起趋于稳定，大规模松软巷道围岩稳定性得到有效控制。     

金川二矿区1098m分段巷道稳定性研究

运用金川比较成熟的围岩稳定性分析法,结合巷道围岩现场工程地质调查,对1 098 m分段围岩进行了分类.并以此为基础,针对1 098 m分段目前的巷道支护型式,应用巷道收敛变形监测的成果信息,进行了巷道稳定性评价.分析探讨了一次支护、二次支护以及其它支护类型的支护时机问题,为二矿区深部巷道的支护技术研究提供了有价值的借鉴.     

弓长岭井下矿采准巷道破坏形式及其支护技术研究

弓长岭井下矿中央区开采急倾斜中厚矿体,随着采深的增大,采准工程出现地压显现的部位增多、规模逐渐增大,进入-280m 中段开采后,采准工程的塌冒已经严重影响生产的正常进行.经过调查巷道发生破坏的部位与破坏区岩性变化,查明上盘楔形体围岩的附加力作用是引发回采巷道大规模破坏的主要原因,为此提出卸压开采方案,即在高应力区先回采上分段沿脉进路,为下分段卸掉垂直压力后,再掘进下分段沿脉进路.此外,根据巷道破坏过程与地压显现形式,分析了现用工字钢金属架支护方法的不适应性,提出根据岩性与地应力大小选择树脂锚杆、喷锚网联合支护的改进方案.初步试验表明,改进方案可有效解决上盘沿脉巷道的塌冒难题,并可较好地适应弓长岭井下矿深部矿岩条件,不失为弓矿实用技术.     

沿空掘巷煤柱合理宽度研究与应用

沿空掘巷时周围岩体受二次采动影响,巷道围岩更易变形,矿压显现更为剧烈。护巷煤柱的合理留设是沿空掘巷技术成功实施的关键因素。煤柱的合理宽度应既能满足煤柱自身的稳定性,又能在巷道掘进和工作面回采期间利于巷道的维护。为了研究沿空掘巷煤柱的合理留设宽度,以某矿1622(3)工作面为背景基于内外应力场理论以及弹性核理论,考虑煤柱对巷道围岩变形的影响,进行理论分析确定了沿空掘巷煤柱宽度合理范围解析表达式,确定了煤柱合理宽度范围为4.8 m～6.9 m。通过数值模拟进一步分析了不同煤柱宽度时的煤柱的垂直应力分布及巷道围岩变形,最终选取煤柱宽度为5 m。将研究结果应用于实际,现场观测数据表明,该煤柱宽度对控制巷道围岩变形,维护巷道及煤柱的稳定性起到了良好的作用。     

大倾角煤层旋采巷道围岩破坏机理与支护技术

为解决大倾角煤层旋采巷道围岩变形控制难题,以潘北矿12124大倾角煤层回采巷道为工程背景,采用现场试验、理论分析与数值模拟相结合的方法,研究了旋采巷道破坏规律及上采空区支承压力对巷道的影响,分析得出大倾角煤层旋采巷道围岩破坏机理。结果表明:(1)旋采巷道拐点处断面较大,且受到上采空区及超前支承压力影响,巷道应力值增大,支护体压缩破坏失稳;(2)旋采至拐点前10 m处采空区煤柱应力与采动应力贯通,同时大倾角下巷道受到上覆岩层剪切应力影响,巷道变形增大。通过分析及工程实践,提出并实施了巷道卧底扩刷、锚网索联合支护方式,有效控制巷道变形,取得较好的社会效益。     

软岩巷道变形的混沌研究

试验得出了软质页岩最大屈服应变,对软岩巷道变形进行了监测,用混沌理论研究了软岩巷道变形规律.根据监测数据,分别计算了巷道顶部和侧帮变形的分形维数和最大Lyapunov指数,并用Lyapunov指数法预测了软岩巷道的后期变形.研究结果表明:软岩变形具有混沌特性,混沌理论能较好地反映软岩巷道的变形与破坏特征;用重构相空间方法,能充分揭示软岩巷道变形与能量释放规律,据此可确定二次复喷时间;软岩巷道变形在相空间相邻点的距离以指数形式发展,当岩体变形达到最大屈服应变时便产生破坏,以此便可预测和分析巷道的稳定性.     

深部倾斜岩层巷道非对称变形机制及控制对策

 针对深部倾斜岩层巷道围岩在开挖支护后所表现出的非对称变形破坏现象,对其变形破坏机制及耦合控制对策进行了数值模拟与工程应用研究。研究结果表明,深部倾斜岩层巷道断面与岩层倾斜方向的钝角部位是产生非对称变形破坏的关键部位;非对称变形破坏的机制主要表现为受岩体结构的非对称性影响而产生的层间剪切滑移变形机制及高应力扩容变形机制等差异性变形机制。基于上述研究,提出非对称耦合控制对策,即在锚网索耦合支护的基础上,利用锚索、底角锚杆等对产生差异性变形破坏的关键部位进行加强支护,从而达到控制巷道非对称变形的目的。数值模拟与工程应用结果表明,采用非对称耦合支护形式,可以有效地消除巷道围岩关键部位产生的差异性变形,巷道围岩稳定性大大提高。     

"三软"煤巷围岩移动规律研究

"三软"煤层在河南省具有分布范围广的特点,特别在新义地区,该地质环境下,巷道变形量大,且巷道围岩的变形破坏过程极为复杂,巷道的支护难度大,严重影响着煤矿的安全生产.根据该"三软"煤层巷道掘进期间的巷道变形量现场观测结果,分析了该地质条件下巷道掘进后不同时期、不同部位的变形规律,为选择合理的巷道支护方式及二次支护的时间提供了理论依据,同时也对类似条件下巷道围岩变形的观测和分析具有一定的指导意义.     

深井巷道层状围岩变形破坏特征及机制研究

层状岩体变形破坏特征与均质岩体存在很大差别,深入揭示层状围岩在掘进过程中的变形破坏特征和机制,对于确保矿井安全生产具有重要的理论意义。本文通过进行层状岩石室内试验,建立了横观各向同性应变软化力学模型,通过掘进全过程的现场监测和数值模拟结果揭示了深井层状围岩的变形破坏特征和机制,采用相似材料试验揭示了预应力锚杆支护结构对层状围岩变形破坏的控制作用。学位论文完成的主要工作有:(1)分别开展了不同层理角度时的互层状砂岩三轴压缩试验、岩样破裂面的电镜扫描和巴西劈裂试验。分析结果表明:层状岩石强度随层面角度增大呈U型分布规律,层状岩石的各向异性程度随围压增大而降低;层状岩石破坏形式由围压、层理角度和岩石细观结构共同控制;竖直层理岩样弹性模量大于水平层理,倾斜层理岩样最小,这主要是由不同层理倾角时层状岩石的承载方式决定的;岩样抗拉强度随线荷载与层面角度增大而增大,其机制为岩样破坏由层理面的剪切破坏演化为穿过层理面的剪切–拉伸破坏,并最终过渡为基质的拉伸破坏。(2)针对现有横观各向同性力学模型未考虑单元应力状态的不足,基于互层状砂岩压缩试验结果,提出了考虑体积应力的塑性内变量表达式,并以此为基础分别研究了基质和层理的应变软化规律,建立了考虑体积应力的横观各向同性应变软化力学模型。基于该模型编制了相应的岩石变形破坏有限差分程序,并通过试验结果进行了检验。结果表明,无论从曲线的变化规律还是定量描述上,数值计算结果和试验曲线均体现了很好的一致性,说明利用该模型可以较好地反映层状岩石的力学特性和变形特征。(3)采用单因素分析方法对建立的横观各向同性力学模型的参数进行了敏感性分析,确定了对围岩变形敏感的参数;通过设计基于粒子群(PSO)优化算法的参数反演程序并将其嵌入FLAC3D程序中,建立了对变形敏感的力学参数的反演方法,为深井巷道层状围岩开挖模型参数的确定奠定了基础。(4)以济宁三号煤矿深井层状围岩为研究对象,通过布置超前监测断面,首次获得了煤矿深井巷道掘进全过程的变形规律,将巷道围岩变形划分为缓慢增长、迅速增加和变形稳定三个阶段,得出其演化机制主要与围岩的瞬间卸荷及应力调整有关。通过掘进面后方收敛变形的监测,将巷道表面收敛变形划分为失稳破坏、持续变形和变形稳定三个阶段,得到围岩变形的空间效应主要集中体现在第一阶段,而时间效应则主要体现在第三阶段。(5)基于深井巷道围岩深部位移实测数据,采用前文确定模型参数反演方法,得到了对变形敏感的七采区层状围岩力学参数。将所建立的横观各向同性应变软化模型应用于深井层状围岩巷道的分步开挖过程的模拟,获得了围岩的应力、塑性区和变形等参数随掘进面推进的演化规律,并给出了相应的巷道支护建议。通过相似材料试验分别模拟了未施加锚杆和施加预应力锚杆后含人工预制层理试样的变形破坏特征,揭示了预应力锚杆支护结构对于层状岩体变形破坏的控制作用和效果,为现场施工及支护设计提供了理论支撑和依据。     

深部巷道围岩变形与支护技术

以顾桥北矿深部巷道布置为工程背景,基于大量实测数据,分析巷道围岩变形与破坏特征。采用有限元分析软件ANSYS12.0研究巷道布置方式、顶底板以及两帮相对移近量等参数对巷道围岩变形与破坏的影响。在此基础上,提出适合巷道支护形式与参数。从围岩荷载观测结果与顶板离层分析数据相互印证,变形量小的围岩压力趋于稳定。结果表明巷道围岩变形与巷道布置方式、顶底板以及两帮相对移近量等参数密切相关。     

滑坡体下挂帮矿开采方案与分析

象鼻山采区是大冶铁矿东露天采场拟开采的4个挂帮矿开采点之一，其地质条件复杂，北帮边坡曾经发生过滑坡。挂帮矿的开采足否会诱发古滑坡体的再次失稳，如何保证挂帮矿资源的安全回收，是采矿作业不可同避的问题。简要介绍采区边坡的地质条件和滑坡历史，预测挂帮矿开采期间边坡的稳定状况，提出利用预留矿石挡墙控制边坡变形与稳定的开采方案，采用FLAC^3D软件进行计算，并对开采顺序进行优化。开采结果表明，预留矿石挡土墙方案可以提高边坡的稳定性，开采期间没有发生灾难性滑坡，但变形量级远大于分析结果。     

深部位移监测在边坡稳定性研究中的作用

介绍了作为边坡深部位移监测的可靠手段之一的钻孔倾斜仪，在湖北武钢大冶铁矿露天边坡稳定性研究中的应用，并讨论了监测结果在边坡稳定性分析和综合加固治理中的作用。     

特厚煤层综放采动底板变形破坏规律的综合实测

为了探究兖州煤田兴隆庄煤矿特厚煤层综放开采对底板岩层的变形破坏规律,应用钻孔应变感应法和超声成像技术对该矿某综放工作面进行了综合实测,获得了底板下不同深度应变增量随工作面推进的变化曲线和工作面推进过程中不同深度钻孔超声成像图片资料。通过5个应变传感器监测数据和大量钻孔超声成像图片的关联对比分析,基本确定了该工作面采动底板扰动深度和矿压作用下支撑压力的影响范围。研究结果表明：①该工作面底板采动扰动深度约为19 m,具有较明显分带性,即可分为采动扰动破坏带和采动扰动变形带,带厚分别约为16 m和3 m;②采动扰动破坏带属于整体塑性变形,其强度条件已基本丧失,但采动扰动变形带仍以弹性变形为主,具有良好的承载条件和较强的抗渗强度;③采动矿压超前和滞后显现明显,其对底板影响程度具有由浅及深而减小的特征。该综合实测方法的成功应用不但为综放开采巷道支护、老空水防治等提供重要信息,而且对深部即将开采的下组煤能否安全带压采掘研究也将具有重要参考价值。     

金属矿山地下开采引起岩体变形规律浅析

 地下金属矿山开采往往会引起周围岩体的不连续变形,地表变形监测与深部岩体变形监测是了解岩体变形的最直接、最有效的方法,也能为评价地表构筑物安全性提供依据。以金山店铁矿东区为例,依据近六年的监测数据,对矿体周围岩体变形规律进行了分析,并阐述了岩体变形程度与趋势。结果表明：在地下开采影响下,金山店铁矿东区采空区上方岩体发生冒落式塌陷;塌陷坑周边岩体在卸荷作用和采矿作用共同影响下发生拉裂、滑移;距离采空区较远的区域,地表呈现连续变形特征。根据不同的变形特征可以把岩体分为垂直冒落区、拉伸滑移区、变形移动区、微变区和未扰动区五个区域。其中,垂直冒落区和拉伸滑移区为不连续变形区,微变区和未扰动区为连续变形区,变形移动区为变形过渡区,位于不同区域的构筑物存在不同程度的破坏。在采矿作用下,变形移动区会逐渐向拉伸滑移区转变,从而使地表变形程度和范围逐步扩大。     

采矿引起的倾倒滑移变形机理及其控制

倾倒变形边坡一般具有反倾边坡结构,其变形的过程和机理比较复杂,涉及的变形岩体范围较大、危害严重。通过岩体位移监测资料的跟踪分析、并对抚顺西露天矿典型高边坡倾倒滑移变形体进行了数值模拟试验,分析探讨了采矿活动作用下的倾倒滑移体变形机理及其对地面变形的影响。分析结果表明,采矿引起的倾倒滑移变形问题是在特定的地质构造和采矿工程条件下产生的,边坡体反倾段岩层变形在整个边坡的变形中起主导作用,地表地基变形主要由断层南侧倾倒滑移体的变形所致,并针对实际问题提出了变形整治方案。     

Experimental study on the deformation and failure mechanism of overburden rock during coal mining using a comprehensive intelligent sensing method

Understanding the spatiotemporal evolution of overburden deformation during coal mining is still a challenge in engineering practice due to the limitation of monitoring techniques. Taking the Yangliu Coal Mine as an example, a similarity model test was designed and conducted to investigate the deformation and failure mechanism of overlying rocks in this study. Distributed fiber optic sensing (DFOS), high-density electrical resistivity tomography (HD-ERT) and close-range photogrammetry (CRP) technologies were used in the test for comprehensive analyses. The combined use of the three methods facilitates the investigation of the spatiotemporal evolution characteristics of overburden deformation, showing that the mining-induced deformation of overburden strata was a dynamic evolution process. This process was accompanied by the formation, propagation, closure and redevelopment of separation cracks. Moreover, the key rock stratum with high strength and high-quality lithology played a crucial role in the whole process of overburden deformation. There were generally three failure modes of overburden rock layers, including bending and tension, overall shearing, and shearing and sliding. Shear failure often leads to overburden falling off in blocks, which poses a serious threat to mining safety. Therefore, real-time and accurate monitoring of overburden deformation is of great significance for the safe mining of underground coal seams.     

土木工程地质实践教学改革研究

根据大冶铁矿独特的地质教学资源和大冶铁矿实践教学基地的实际情况,对土木工程地质实习从内容、安排和质量保证等方面提出了实践教学方案的构想,探索了与企业生产相结合、与科研项目相结合、与学生能力培养相结合的实践教学改革新模式。     

采动影响下大跨度煤巷耦合支护技术研究与应用

 为解决多次采动影响下大跨度煤巷支护难的问题,以高家梁矿20108工作面回风巷道为例,通过分析工程地质条件和工程岩体特性可知,20108回风巷道属于应力扩容膨胀型复合地质软岩,确定力学破坏机制为IABCIIBDIIIDA复合型变形力学机制,提出采用锚网索带注耦合支护方案。基于FLAC3D数值软件,对锚网索带注耦合支护方案进行数值计算,计算结果显示,与无耦合支护对比,屈服区域显著缩小,顶底板和两帮变形都得到有效控制。现场监测煤巷围岩变形表明,多次采动影响下煤巷两帮变形速率大于顶底板,表明两帮变形速率控制着20108回风巷道的使用功能。研究结果表明,锚网索带注耦合支护在采动影响下大跨度煤巷支护中取得良好的支护效果,数值计算表明,采动影响下大跨度煤巷采用耦合支护技术是可行的;现场监测结果也验证耦合支护技术的有效性和可靠性。     

阶段嗣后充填开采采场稳定性相似材料模型试验

根据司家营铁矿南区充填法开采设计,选取南区S16勘探线附近的采场,采用相似材料模型试验的研究方法,模拟了首采-450 m中段单盘的两步开采和充填过程,借助位移计、光纤传感器和压力盒等仪器监测了试验模型的地表沉降和围岩的变形及应力分布,分析了采场变形和应力变化规律及充填体的稳定性。试验结果表明,阶段嗣后充填法开采对地表影响不大,充填可以有效控制地表岩移;开采过程中采场整体稳定性较好,但二步回采后采场顶板和间柱变形均发生较大变化,回采后应及时对阶段空场进行充填,并适当提高充填体的强度。最终成果为开展多中段多盘区的矿体开采的进一步研究提供了基础依据。     

金属矿充填开采岩体移动对竖井围岩的变形破坏

采用数值模拟和地质力学分析的方法,对甘肃金川二矿区地下开采条件下, ^# 14 行风井变形破坏问题进行了研究,研究结果表明： ^# 14 行风井位于地下开采引起的岩体移动盆地的拉张区,受岩体移动变形影响剧烈,地下开采已经成为了影响竖井安全稳定的主要因素;无论是富矿开采还是贫矿富矿联合开采,竖井井壁的位移和应力分布规律大体相同,其大小与分布特征受断层影响突出,断层所在的部位仍然是竖井井壁的脆弱部位;地下开采引起的 ^# 14 行风井的破坏是以穿过井筒的断层出现活化为触发因素,以井壁发生错动、破裂、冒落为主要形式的断层效应的集中体现,这也将成为现阶段生产条件下竖井可能再次发生变形、破坏的模式。